Combustion

Before the discovery of oxygen in the early 1770s, Karl Scheele and Joseph Priestley believed that all bodies capable of burning contain a special beginning, “ phlogiston ”, which is released from the body during the burning process, leaving ashes. In 1775, Lavoisier showed that, on the contrary, air oxygen joins the combustible substance during combustion, and in 1783 Lavoisier and Laplace discovered that the product of hydrogen combustion is pure water. These discoveries laid the foundation for modern scientific views on the nature of combustion.

The next step in the development of the fundamentals of the theory of combustion is associated with the work of Mallard and Le Chatelier ^[7] and V. A. Michelson , performed in the 1880s ^[8] . In 1890, Mikhelson published a paper ^[9] on the propagation of flame in pipes and proposed the theory of the Bunsen burner .

In 1928, Burke and Schumann considered the problem of a diffusion flame and showed that when the rate of combustion of reagents in a chemical reaction is much higher than the rate of supply of reagents through diffusion, the reaction zone can be considered infinitely thin, while the stoichiometric ratio between the oxidizer and the fuel is automatically established in it, and the maximum temperature in the reaction zone is close to the adiabatic combustion temperature ^[10] .

The modern theory of combustion originates from the work of N. N. Semenov on thermal explosion ^{[11] [12]} , performed in the 1920s. The Institute of Chemical Physics, founded by N. N. Semenov in 1931, became the leading scientific center in chemical physics and combustion ^[13] . In 1938, DA Frank-Kamenetsky developed the theory of thermal explosion ^[14] , and, together with Ya. B. Zel'dovich , the theory of the propagation of laminar flame in pre-mixed mixtures ^[15] .

In the same year of 1938, in the experiments of A. F. Belyaev, it was shown that the burning of volatile explosives occurs in the gas phase ^[16] . Thus, the question of the rate of combustion of such substances was reduced to the question of the rate of combustion in the gas phase, and in 1942 Ya. B. Zeldovich developed the theory of combustion of condensed substances based on the theory of flame propagation in gas ^[17] .

In the 1940s, Ya. B. Zeldovich developed the theory of detonation ^[18] , which was called - by the name of Zeldovich, Neumann, and Döring, because independently of him von Neumann ^[19] and Döring came to similar results ^[20] .

All these works became classical in the theory of combustion.

According to the speed of movement of the mixture, combustion is subdivided into slow burning (or deflagration ) and detonation burning ( detonation ). The deflagration combustion wave propagates at a subsonic speed , and the initial mixture is heated mainly by thermal conductivity. The detonation wave moves at a supersonic speed , while the chemical reaction is supported due to the heating of the reactants by the shock wave and, in turn, supports the steady propagation of the shock wave ^{[21] [22]} . Slow combustion is divided into laminar and turbulent, according to the nature of the flow of the mixture ^[23] . In detonation combustion, the flow of products is always turbulent. Under certain conditions, slow burning can turn into detonation ^[24] ( born DDT, deflagration-to-detonation transition ^[25] ).

If the initial components of the mixture are gases , then the combustion is called gas-phase (or homogeneous). In gas-phase combustion, an oxidizing agent (as a rule, oxygen ) reacts with a fuel (for example, hydrogen or natural gas ). If the oxidizer and fuel are mixed in advance at the molecular level, then this mode is called combustion of the premixed mixture ( English premixed combustion ). If the oxidizer and fuel are separated from each other in the initial mixture and enter the combustion zone by diffusion , then the combustion is called diffusion ^[26] .

If the original oxidizer and fuel are in different phases, the combustion is called heterogeneous. As a rule, in this case, the oxidation reaction also proceeds in the gas phase in the diffusion mode, and the heat released in the reaction is partially spent on thermal decomposition and evaporation of the fuel ^[27] . For example, the mechanism burns coal or polymers in the air. In some mixtures, exothermic reactions may take place in the condensed phase with the formation of solid products without substantial gassing. Such a mechanism is called solid-phase combustion.

There are also special types of combustion, such as smoldering , flameless and cold-flame burning .

Combustion, or nuclear combustion, refers to thermonuclear reactions in stars, in which nuclei of chemical elements are formed in the processes of stellar nucleosynthesis ^[28] .

Flame is a luminous zone formed during combustion. The temperature of the flame depends on the composition of the initial mixture and the conditions under which the combustion takes place. When burning natural gas in air, the temperature in the hot zone can exceed 2000 K, and when burning acetylene in oxygen ( gas welding ), it can exceed 3000 K ^[29] .

Flame color

In the combustion zone, free radicals and molecules can appear in electronically excited and vibrationally excited states. If the intensity of the glow is high enough, then it can be perceived with the naked eye. The flame color is determined by the frequencies at which quantum transitions occur, which make the main contribution to radiation in the visible spectral region. A significant part of the radiation, especially in the presence of a solid phase, dust particles or soot particles in the flame, occurs in the infrared region, which is subjectively perceived as heat from a fire. Vibrationally excited CO, CO ₂ and H ₂ O molecules contribute to infrared radiation .

When hydrogen burns in pure air, the flame is almost colorless. It has a barely noticeable bluish tint due to the emission of OH radicals in the optical range at wavelengths of 306–308 nm ^[30] . However, usually the hydrogen flame in the air glows stronger due to the presence of dust particles and organic trace contaminants.

Flames when burning hydrocarbon fuels in a Bunsen burner , such as propane or butane, may have a different color depending on the ratio of fuel to air. When burning in diffusion mode without supplying air to the burner, the flame is colored yellow or reddish due to the glow of red-hot soot microparticles. When mixing a small amount of air at the exit of the burner, a dim blue cone of flame arises. A further increase in the air supply leads to the appearance of two cones of flame, an inner bright blue-green and an outer blue-violet, much less intense ^[31] .

The ability of impurities to paint flames in various colors is used in analytical chemistry for pyrochemical analysis and in pyrotechnics for salutes, fireworks and flares.

Flame electrical properties

The flame of hydrocarbon fuels can interact with the electromagnetic field, that is, it contains charged particles. It was experimentally found that the concentration of ions in a flame can be 4-6 orders of magnitude greater than the concentration that would be observed with a purely thermal ionization mechanism, and in fact the flame can behave like a weakly ionized plasma . However, the flame temperature is not sufficient for the components of the mixture to be ionized as a result of collisions of molecules with each other, and in the 1950s it became clear that chemoionization was the main mechanism of ion generation ^[32] .

It is believed that chemoionization occurs mainly through the formation of the CHO ⁺ ion ^[33] , although the presence of other ions is noted in the flame ^[34] . In the absence of carbon, the CHO ⁺ ion is not formed; therefore, the concentration of ions in the flame of pure hydrogen in pure oxygen is very small. The concentration of ions increases significantly if even trace amounts of organic substances are present in the gas, while the conductivity of the flame greatly increases. This phenomenon is used in flame ionization detectors of gas chromatographs .

The interaction of the flame with the electromagnetic field opens up new possibilities for controlling the combustion processes and creating promising technologies based on them ^[35] .

Despite extensive experience in practical use, the combustion processes remain among the most difficult for scientific study. The science of combustion is highly interdisciplinary, lying at the junction of such scientific disciplines as gas dynamics, chemical thermodynamics, chemical kinetics, molecular and chemical physics, heat and mass transfer , quantum chemistry and physics, materials science and computer modeling ^[36] .

Combustion

The initial composition of the combustible mixture is characterized by molar or mass fractions of the components and the initial pressure and temperature. If the composition of the mixture is chosen so that when it is burned, both the fuel and the oxidizer are able to completely turn into reaction products, then this mixture is called stoichiometric . Blends with excess fuel, in which the fuel is not able to burn completely due to lack of oxidizer, are called rich , and mixtures with a lack of fuel are called poor . The degree of deviation of the composition of the mixture from stoichiometric is characterized by an excess fuel ratio ( eng. Equivalence ratio ) ^[37] :

where Y _F and Y _O are the mass fractions of the fuel and oxidizer, respectively, and (Y _F / Y _O ) _st is their ratio in the stoichiometric mixture. In the Russian-language literature is also used the coefficient of excess oxidant (or air), the inverse of the coefficient of excess fuel.

Theoretically, a stoichiometric mixture is able to burn completely. However, in practice, the reagents never turn completely into reaction products, both because of the imperfection of the design of the combustion chamber and because the chemical reactions of combustion do not have time to go to the end. Therefore, in reality, combustion is always incomplete , and an increase in the completeness of combustion is one of the ways to improve power plants. In the technique often used mixtures other than stoichiometric. For example, when starting a cold car engine, the air-fuel mixture is enriched to facilitate starting, and lean mixtures are used to reduce harmful emissions, such as NO _x and CO .

Burning thermodynamics

If the combustion occurs adiabatically at a constant volume, then the total internal energy of the system is conserved, if at constant pressure, then the enthalpy of the system. In practice, the conditions of adiabatic combustion are approximately realized in a freely propagating flame (excluding heat loss by radiation) and in other cases when heat losses from the reaction zone can be neglected, for example, in combustion chambers of powerful gas turbines or rocket engines .

The adiabatic temperature of combustion is the temperature of the products, achieved with the full course of chemical reactions and the establishment of thermodynamic equilibrium. For thermodynamic calculations, tables of thermodynamic functions ^{[38] of} all components of the initial mixture and products are used. Methods of chemical thermodynamics allow us to calculate the composition of products, the final pressure and temperature under given conditions of combustion. Currently, many programs are available that can perform these calculations ^{[39] [40]} .

Heat of combustion is the amount of heat released during the complete combustion of the starting components, that is, up to CO ₂ and H ₂ O for hydrocarbon fuels. In practice, part of the released energy is spent on the dissociation of products; therefore, the adiabatic combustion temperature without taking into account dissociation turns out to be noticeably higher than that observed in experiment ^[41] .

Thermodynamic calculation allows you to determine the equilibrium composition and temperature of products, but does not give any information about how fast the system approaches the equilibrium state. A complete description of combustion requires knowledge of the mechanism and kinetics of reactions and the conditions of heat and mass transfer with the environment.

Burning kinetics

A detailed kinetic scheme of reactions in the combustion of even the simplest hydrocarbon fuels, such as methane, includes tens or even hundreds of components involved in hundreds of elementary chemical reactions ^[42] . When modeling such large mechanisms, considerable computational difficulties arise. They are due to the fact that the characteristic time of individual reactions can vary by many orders of magnitude, and the corresponding systems of differential equations turn out to be rigid ( eng. Stiff ), which makes the numerical solution much more difficult. Therefore, in practical calculations of combustion processes, three approaches are used ^[43] :

• Global mechanism. It uses an empirical kinetic scheme with one or several stages, allowing to perform calculations of two-dimensional and three-dimensional flows, including turbulent ones. Например, для горения метана может использоваться следующая одностадийная схема:

с кинетическими параметрами, подбираемыми по экспериментально измеренной скорости пламени ^[44] .

• Полный механизм. В полной кинетической схеме учитываются по возможности все наиболее важные компоненты и элементарные реакции. Такие схемы используются для моделирования одномерных ламинарных пламен, так как мощности современных компьютеров все ещё недостаточны для многомерных расчётов с подробными схемами. Кроме того, данные о константах скоростей элементарных реакций пока не могут быть получены в эксперименте или рассчитаны теоретически с достаточной точностью.
• Сокращённый механизм. В схеме на основе анализа отдельных стадий устраняются малозначительные компоненты и реакции. В результате число компонентов и реакций в схеме уменьшается, и становится возможным выполнять многомерные расчёты, учитывающие важные кинетические эффекты.

Реактор идеального перемешивания

В заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём объёме, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в узкой зоне (фронт пламени), разделяющей исходную смесь и продукты и распространяющейся в виде так называемой волны горения. Объёмное горение может быть организовано в гомогенном реакторе идеального перемешивания, в который поступает исходная смесь при температуре Т ₀ . На выходе из реактора смесь имеет температуру Т _b ≥ Т ₀ , которая устанавливается в соответствии с текущим режимом работы реактора. В таком реакторе могут иметь место множественные стационарные режимы, явления гистерезиса , а также нестационарные режимы и автоколебания ^[45] . Все эти явления характерны для теории горения в силу нелинейности её уравнений.

Ламинарное горение

При небольших скоростях течения смеси горение может осуществляться в ламинарном режиме . Так горят, например, свеча (диффузионное горение) или бытовая газовая плита (горение предварительно перемешанной смеси) при небольших расходах газа.

В предварительно перемешанной смеси фронт пламени движется относительно исходной смеси со строго определённой скоростью, называемой скоростью ламинарного пламени. Эта скорость зависит от исходного состава смеси, её давления и температуры, но не зависит от условий зажигания. Скорость ламинарного пламени для метана и большинства других углеводородных топлив в нормальных условиях в воздухе может варьироваться примерно от 10 до 70 сантиметров в секунду ^[46] . Скорость горения смесей водорода с воздухом ( гремучий газ ) достигает нескольких метров в секунду и может восприниматься как взрыв.

Ламинарное пламя может распространяться только в смеси, состав которой не выходит за границы диапазона так называемых концентрационных пределов . Нижний и верхний концентрационные пределы соответствуют минимальному и максимальному коэффициенту избытка топлива, при котором пламя ещё может распространяться по смеси. Для метана в воздухе они составляют примерно 5 и 15 объёмных процентов ^[47] . Взрывы бытового газа возникают тогда, когда в плохо вентилируемом помещении превышается нижний концентрационный предел, и из-за искры или другого источника смесь воспламеняется. Этот же эффект приводит к взрывам метана в шахтах.

Помимо концентрационного предела существует также предел по диаметру распространения пламени в трубе. В трубе диаметром меньше критического пламя распространяться не может из-за больших теплопотерь в стенки и гибели активных радикалов на стенке ^[48] . На этом принципе основана безопасная лампа Дэви , в которой применяется открытый огонь, но пламя закрыто металлической сеткой и не вызывает взрыва метана в шахтах.

Турбулентное горение

Турбулентное горение, то есть горение смеси, течение которой является турбулентным — это наиболее часто встречающийся в практических устройствах режим горения и одновременно наиболее сложный для изучения ^[49] . Турбулентность остаётся одной из немногих нерешённых проблем классической физики ^[50] . Законченной теории турбулентных течений, в том числе и в отсутствие в них химических реакций, до сих пор не существует.

Взаимодействие турбулентного потока с фронтом горения дополнительно усложняет анализ. Даже на качественном уровне влияние горения на турбулентность и обратное влияние турбулентности на горение может приводить к противоположным эффектам ^[51] . Горение может как интенсифицировать турбулентность, за счёт дополнительного тепловыделения, так и наоборот, уменьшать её из-за увеличения вязкости с повышением температуры.

С другой стороны, турбулентность как бы сминает фронт пламени, увеличивая площадь фронта. Вследствие этого резко возрастает тепловыделение в потоке, то есть увеличивается мощность всей системы. Турбулентность также интенсифицирует процессы смешения компонентов, если исходно они не были перемешаны. По этой причине на практике в системах, от которых требуется высокая мощность — двигателях, топках, газотурбинных установках — используется именно турбулентный режим. Однако чрезмерно интенсивная турбулентность может погасить пламя. Управлять турбулентным потоком сложно. В нём постоянно возникают стохастические пульсации скорости и давления, которые могут вызывать неустойчивости горения и приводить к разрушению конструкции горелки и авариям. Пульсации температуры приводят к тому, что смесь сгорает неравномерно, в результате чего в выбросах увеличивается содержание вредных веществ.

Описание турбулентного горения требует применения компьютерного моделирования. При этом, как и для нереагирующих течений, могут применяться три подхода для численного решения уравнений Навье-Стокса , развиваемые в вычислительной гидродинамике : RANS — усреднённые по числу Рейнольдса уравнения Навье-Стокса , LES — метод крупных вихрей и DNS — прямое численное моделирование ^[52] .

Компьютерное моделирование горения

Важность процесса горения в технических устройствах вместе с дороговизной натурных экспериментов способствует быстрому развитию компьютерного моделирования горения. Модели процессов горения основаны на законах сохранения массы, импульса и энергии в многокомпонентной реагирующей смеси. Уравнения теории горения — это уравнения непрерывности для смеси в целом и всех отдельных компонентов, уравнение Навье-Стокса для сжимаемой среды и уравнение переноса тепла с химическими источниками ^[53] . С подробными кинетическими схемами эта система дифференциальных уравнений в частных производных чрезвычайно сложна, и до настоящего времени не существует универсальных численных схем, которые могли бы применяться во всех режимах горения и температурных диапазонах. Поэтому такие схемы строятся для частных случаев, позволяющих дополнительно упростить систему уравнений.

В одномерном случае для медленного горения (ламинарное пламя) разработаны эффективные методы решения системы уравнений, в том числе для подробных кинетических схем, и доступны пакеты программ, решающих эти задачи. В исследованиях чаще всего используются коммерческие пакеты CHEMKIN и Cosilab , а также свободное ПО Cantera .

В двух- и трёхмерном случаях до сих пор чаще всего применяется глобальная кинетическая схема. Такой подход реализован, например, в пакетах ANSYS FLUENT и KIVA , однако вместе с увеличением мощности компьютеров появляются и расчёты с сокращёнными кинетическими схемами ^[54] и подробными схемами. Для решения таких задач используются суперкомпьютеры ^[55] .

Гетерогенными процессами, в противоположность гомогенным , в химии и физике называют процессы, происходящие в гетерогенных системах, то есть системах, содержащих более одной фазы (например, газ и жидкость), а также процессы, происходящие на границе раздела фаз. В исследованиях по горению термин гетерогенное горение используется для систем, в которых топливо и окислитель исходно находятся в разных фазах ^[27] , даже если в процессе топливо испаряется, и сами химические реакции происходят в газовой фазе. Типичным примером является горение угля в воздухе, в котором углерод может реагировать с кислородом на поверхности частиц угля с образованием угарного газа . В дальнейшем угарный газ может догорать в газовой фазе и образовывать углекислый газ , а в некоторых режимах топливо может испаряться с поверхности частиц и окисляться как газообразный углерод в газовой фазе. Несмотря на различие механизмов, все эти режимы формально относятся к гетерогенному горению.

Гетерогенное горение чрезвычайно важно в практических приложениях горения. Большинство топлив удобнее хранить и транспортировать в жидком виде (в том числе сжиженный природный газ ). Рабочие процессы в топках , двигателях внутреннего сгорания , дизельных двигателях , воздушно-реактивных двигателях , жидкостных ракетных двигателях — это гетерогенное горение, а оптимизация процесса испарения и смешения топлива и окислителя для их подачи в камеру сгорания — важная составная часть оптимизации всего процесса горения в рабочих системах.

Практически все пожары — это также гетерогенное горение, однако взрывы бытового газа относятся к гомогенному горению, так как исходно и горючее, и окислитель — это газы.

Для повышения энергетических характеристик твёрдых топлив в них могут добавляться металлы . Такие топлива могут использоваться, например, для скоростных подводных торпед , так как чистый алюминий хорошо горит в воде ^[56] . Горение алюминия и других металлов происходит по гетерогенному механизму ^[57] .

Твёрдые топлива находят основное применение в огнестрельном оружии, артиллерийских и реактивных снарядах, а также в тактических ракетах и межконтинентальных баллистических ракетах . Твердотопливные ускорители применялись для вывода на околоземную орбиту многоразовых шаттлов .

Горение порохов в канале оружейного ствола или в камере пороховой ракеты изучает внутренняя баллистика .

Состав твёрдых топлив

Твёрдые топлива , используемые в твердотопливных ракетных двигателях, делятся на два типа: баллиститные и смесевые . В баллиститных твёрдых топливах нет разделения на горючее и окислитель — это вещество или смесь химических веществ, которые сгорают послойно. Обычно их называют баллиститными или гомогенными порохами . Основной компонент таких порохов — нитроцеллюлоза . При изготовлении твёрдого топлива нитроцеллюлоза желатинизируется в растворителе, обычно в нитроглицерине . Для удобства изготовления и стабильности при хранении в смесь вводят технологические добавки, улучшающие механические и эксплуатационные свойства. Общее название таких порохов — бездымные , а в зарубежной литературе — двухосновные ( англ. double base ) ^[58] .

Смесевые топлива представляют собой смесь двух или более компонентов. Компоненты — это механически перемешанные частицы окислителя и горючего в виде порошков или гранул размером до десятых долей миллиметра. В качестве окислителя используются перхлораты (обычно перхлорат аммония или перхлорат калия ) и нитраты , например, нитрат аммония и нитраты щелочных металлов. В качестве горючего — органические вещества, например, предельные олефиновые полимеры ( полипропилен ). Для повышения удельного импульса ракетного топлива в топливо вводят мелкодисперсные частицы металлов (порошки), такие как алюминий , магний , бериллий .

Пороховые заряды ракетных двигателей должны иметь высокую механическую прочность, во избежание разрушения пороховой шашки в процессе горения при работе ракетного двигателя. Поэтому при изготовлении зарядов смесевых топлив в смесь добавляют полимерные связующие — эпоксидные смолы , резины и иные полимеры.

Горение заряда твёрдого топлива в твердотопливном ракетном двигателе происходит по поверхности топлива и не распространяется внутрь заряда, если на поверхности нет трещин. Трещины или поры в заряде могут привести к нерасчётному увеличению поверхности горения и тяги двигателя, прогоранию корпуса и авариям.

Механизм горения твёрдых ракетных топлив

Физическая картина процессов, происходящих при горении твёрдых топлив, достаточно сложна и включает несколько стадий разложения пороха в последовательности экзотермических реакций в конденсированной и газовой фазе. По результатам исследований горения баллиститного пороха Н в вакууме П. Ф. Похил ^{[59] [60]} установил, что при давлении ниже 2 мм рт. Art. экзотермическая химическая реакция идёт только в приповерхностном слое конденсированной фазы (беспламенное горение). В диапазоне давлений от 5 мм рт. Art. до примерно 15—20 атм реакция идёт в газовой фазе, и пламя заметно только в темноте (однопламенное или холоднопламенное горение). При дальнейшем повышении давления (свыше 15—20 атм) на некотором расстоянии от поверхности возникает вторая зона яркого пламени. Расстояние от этой зоны до поверхности вещества быстро уменьшается с ростом давления, и примерно при 60—70 атм эта зона сливается с первой зоной ^[61] .

Полного описания механизма реакций всех этих стадий не существует. Считается, что в конденсированной фазе происходит разрыв химических связей CO—NO ₂ и выделяются окислы азота (NO ₂ и NO) и альдегиды, в первой зоне пламени NO ₂ реагирует с альдегидами, а во второй зоне идут реакции с участием NO и CO ^[62] .

Скорость горения твёрдых топлив обычно аппроксимируют эмпирической степенной зависимостью: ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">u</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">=</span></span>\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">A</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">+</span></span>\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">B</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">(</span></span>\frac{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">P</span></span>}}{{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">P</span></span>}}_{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">0</span></span>}}}{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">)</span></span>}^{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\nu </span></span>}}}${\displaystyle u=A+B({\frac {P}{P_{0}}})^{\nu }}   Where${\displaystyle {\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">P</span></span>}}_{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">0</span></span>}}}$ {\ displaystyle P_ {0}}   обычно принимается равным атмосферному давлению (~103 кПа). Indicator${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\nu </span></span>}}$ {\ displaystyle \ nu}   варьируется в пределах от 0,7 для низких давлений ( P = 1—20 атм) до 1 для высоких${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">P</span></span>}}$ {\ displaystyle P}   > 60 атм) давлений, что объясняют сменой ведущей зоны тепловыделения в химических реакциях ^[62] .

В камерах сгорания ракетных двигателей поверхность горящего пороха обдувается газовым потоком продуктов горения. Возрастание скорости горения топлива с ростом скорости обдувающего потока было обнаружено О. И. Лейпунским в 1940-е годы ^{[63] [64]} и в отечественной литературе получило название раздувания . В иностранных публикациях оно называется эрозионным горением ^[65] . Этот эффект необходимо учитывать при проектировании и расчёте ракет на твёрдом топливе.

При горении заряда твёрдого топлива в камере сгорания изменяется давление, форма и площадь поверхности заряда, на топливо действуют большие перегрузки. Вследствие этого скорость горения не остаётся постоянной, и такие режимы называются нестационарными. Феноменологическая теория нестационарного горения пороха была создана Я. Б. Зельдовичем ^[66] в 1942 году и впоследствии развита Б. В. Новожиловым ^[67] в 1960-е годы.

Тление

Тление — это особый вид медленного горения, которое поддерживается за счёт тепла, выделяющегося в реакции кислорода и горячего конденсированного вещества непосредственно на поверхности вещества и аккумулируемого в конденсированной фазе ^[68] . Типичным примером тления является зажжённая сигарета. При тлении зона реакции медленно распространяется по материалу. Газофазное пламя не образуется из-за недостаточной температуры газообразных продуктов или потухает из-за больших теплопотерь из газовой фазы. Тление обычно наблюдается в пористых или волокнистых материалах. Тление может представлять большую опасность во время пожара, так как при неполном сгорании выделяются токсичные для человека вещества.

Твердофазное горение

В смесях неорганических и органических порошков могут протекать автоволновые экзотермические процессы, не сопровождающиеся заметным газовыделением и образующие только конденсированные продукты. На промежуточных стадиях могут образовываться газовые и жидкие фазы, не покидающие, однако, горящую систему. Известны примеры реагирующих порошков, в которых образование таких фаз не доказано (тантал-углерод). Такие режимы называются твердофазным горением , используются также термины безгазовое горение и твердопламенное горение ^[69] . Эти процессы получили практическое применение в разработанных под руководством А. Г. Мержанова технологиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) ^[70] .

Горение в пористой среде

Если исходная горючая смесь проходит через пористую среду, например, керамическую матрицу, то при её горении часть тепла расходуется на подогрев матрицы. Горячая матрица, в свою очередь, подогревает исходную смесь. Тем самым часть тепла продуктов сгорания рекуперируется, что позволяет использовать бедные смеси (с малым коэффициентом избытка топлива), которые без рециркуляции тепла не горят. Технологии пористого горения (в отечественной литературе также — фильтрационное горение ) позволяют уменьшить выбросы вредных веществ и используются в газовых инфракрасных печках, обогревателях и многих других устройствах ^[71] .

Беспламенное горение

В отличие от обычного горения, когда наблюдается светящаяся зона пламени , возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора , например, окисление этанола на платиновой черни . Однако термин «беспламенное горение» не сводится только к случаю поверхностно-каталитического окисления, а обозначает ситуации, в которых пламя не видимо невооруженным глазом ^[3] . Поэтому беспламенными также называют режимы горения в радиационных горелках ^[72] или некоторые режимы экзотермического разложения баллиститных порохов при низком давлении ^[73] . Беспламенное окисление — особый способ организации низкотемпературного горения — является одним из перспективных направлений в создании малоэмиссионных камер сгорания для энергетических установок.

• Гейдон А. Спектроскопия и теория горения. — М. : Издательство иностранной литературы, 1950. — 308 с.
• Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва. — М. : Издательство Московского университета, 1957. — 452 с.
• Щёлкин К. И. , Трошин Я. К. Газодинамика горения. — М. : Издательство Академии наук СССР, 1963. — 254 с.
• Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. 2nd ed. Per. from English by ed. К. И. Щёлкина и А. А. Борисова. — М. : Мир, 1968. — 592 с.
• Похил П. Ф., Мальцев В. М., Зайцев В. М. Методы исследования процессов горения и детонации. — М. : Наука, 1969. — 301 с.
• Новожилов Б. В. Нестационарное горение твёрдых ракетных топлив. — М. : Наука, 1973. — 176 с.
• Лаутон Дж., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения. — М. : Энергия, 1976. — 296 с.
• Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. — М. : Наука, 1980. — 479 с.
• Peters N. Turbulent Combustion . — Cambridge University Press, 2004. — 304 p. — ISBN 978-0521660822 . — DOI : 10.1017/CBO9780511612701 . (eng.)
• Law CK Combustion Physics . — Cambridge University Press, 2006. — 722 p. — ISBN 9780511754517 . — DOI : 10.1017/CBO9780511754517 . (eng.)
• Warnatz J., Maas U., Dibble RW Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation . — Springer, 2006. — 378 p. — ISBN 978-3-540-45363-5 . (eng.)
• Glassman I., Yetter RA Combustion (Fourth Edition) . — Elsevier Inc., 2008. — 800 p. — ISBN 978-0-12-088573-2 . (eng.)
• Poinsot T., Veynante D. Theoretical and Numerical Combustion . — Third edition by the authors, 2012. — 588 p. (eng.)
• Kuo KK, Acharya R. Fundamentals of Turbulent and Multi-Phase Combustion . — John Wiley & Sons., 2012. — 864 p. — ISBN 978-1-118-09929-2 . Архивная копия от 25 августа 2012 на Wayback Machine (англ.)
• Lipatnikov A. Fundamentals of Premixed Turbulent Combustion . — CRC Press, 2012. — 548 p. — ISBN 9781466510258 . (eng.)